Siemens SIMATIC Модуль автоматического регулирования FM 355. Руководство пользователя
Подождите немного. Документ загружается.
Как работает модуль FM 355
Модуль автом атичес кого регулирования FM 355
A5E00059344-02
3-17
Адаптация сигнала уставки
Адаптация заданного значения (уставки) для преобразования его в "эффективное заданное
значение" зависит от следующих возможных факторов конфигурирования:
•
"Ключ (переключатель) безопасности переменной уставки" = "Схема предо хранителя уставки"
Здесь может быть установлено:
-
безопасное значение уставки,
-
реакция FM 355 на отказ CPU,
-
реакция FM 355 на процесс запуска.
Возможные альтернативы реакции FM 355:
- заданное значение = последнее значение уставки,
- заданное значение = безопасное значение уставки.
•
"Пила" (Пилообразный сигнал)
Скорость изменения величины заданного сигнала может быть ограничена фильтром с
временной характеристикой пилообразной формы, синхронизируемым с началом воздействия
сигнала и со слежением до конечного значения сигнала.
•
"Ограничение/нормализация"
Если значение уставки определено в функциональном блоке или если оно является
адаптированным значением сигнала аналогового входа, то значение этой заданной
переменной лежит в выбираемом диапазоне значений между нижней и верхней границами.
Если выходной сигнал регулятора выбран в качестве заданного значения системы
пропорционального управления, то этот сигнал перемножается с сигналом переменной D.
Значение уставки, которое присутствует на входе в виде нормированного значения (%), в этом
случае нормализуется – приводится в границы разрешенного диапазона значений.
Если управляющая переменная другого регулятора должна использоваться в качестве
значения уставки в системе стабилизации параметра на заданном уровне или в каскадной
системе регулирования, то она нормализуется – приводится к физическому значению с
помощью нормализующих коэффициентов-констант для выбранного канала переменной
процесса.
•
"Перемножение"
Для случая пропорционального у правления переменная процесса А используется как
переменная процесса, в то время как переменная процесса D используется в качестве
параметра пропорциональности. Сигнал со входа заданного значения (уставки) используется
как коэффициент пропорциональности. Перемножением этого сигнала с переменной процесса
D и суммированием с регулируемым напряжением смещения формируется эффективное
значение уставки. Если значение переменной процесса D деактивировано, сигнал уставки
просто складывается с напряжением смещения при формировании эффективного значения
уставки.
Как работает модуль FM 355
Модуль автоматического регулирования FM 355
3-18
A5E00059344-02
Адаптация сигнала (переменной) процесса
В структурах систем стабилизации параметра на заданном уровне, систем каскадного управления
и систем пропорционального управления эффективная переменная процесса идентична
переменной процесса А.
В структурах систем трехпозиционного управления эффективное значение переменной процесса
формируется суммированием трех переменных процесса А, В и С с последующим добавлением
постоянной смещения. При этом переменные процесса B и C могут быть нормированы
посредством коэффициентов.
Как работает модуль FM 355
Модуль автом атичес кого регулирования FM 355
A5E00059344-02
3-19
Прерывания
Функция слежения за нарушением границ разрешенного диапазона параметра заложена в FM 355.
При этом существуют два варианта реакции системы:
•
или формируется сигнал ошибки (рассогласования)
•
или формируется эффективное значение переменной процесса
при слежении за нарушением границ (верхней и нижней) "предупреждения" в разрешенном
диапазоне и за нарушением границ (верхней и нижней) "сигнала тревоги" разрешенного диапазона
значений параметра. Вдобавок, Вы можете установить "гистерезис" для этих границ (см. рис. 3-11).
Рис. 3-11 Гистерезис на границах "предупреждения"/"сигнала тревоги"
разрешенного диапазона значений для параметра
Нижняя граница
"предупреждения"
или "тревоги"
Верхняя граница
"предупреждения"
или "тревоги"
"Приход" прерывания
"Уход" прерывания
Гисте
р
езис
Как работает модуль FM 355
Модуль автоматического регулирования FM 355
3-20
A5E00059344-02
Алгоритм управления
В соответствии с предусмотренными алгоритмами управления могут быть выбраны
следующие режимы работы модуля:
•
"Система управления температурой" (система управления термическим процессом –
самонастраивающийся "fuzzy"-регу лятор)
•
ПИД-регулятор
C-регуляторы и регуляторы пошагового управления имеют схожую структуру алгоритма
управления (см. рис. 3-12).
Рис. 3-12 Блок-схема алгоритма управления
Эффективное значение
переменной процесса
Эффективное значение
сигнала уставки
Сигнал
ошибки
Дифференциальный вход
Сигнал помехи
Пороговый
фильтр
Эффективное
значение
управляющей
переменной
ПИД
Коррекция
управляющей
пе
р
еменной
Система
управления
темпе
р
ат
ур
ой
Как работает модуль FM 355
Модуль автом атичес кого регулирования FM 355
A5E00059344-02
3-21
"Система управления температурой"
Система управления термическим процессом представляет собой самонастраивающийся
регулятор терморегулирования с автоматическим назначением параметров управления после
идентификации процесса.
Для температурного регулятора возможны следую щие установки:
•
Система управления охлаждением
•
Система управления нагревом
•
Агрессивность
Последний параметр (агрессивность) используется для влияния на динамику переходных
характеристик.
Возможные значения этого параметра:
!
-1
≤
Агрессивность < 0: Более медленная переходная характеристика, чем было
определенно посредством распознавания.
!
Агрессивность = 0: Переходная характеристика идентична
определенной посредством распознавания.
!
0 < Агрессивность
≤
1: Более быстрая переходная характеристика, чем было
определенно посредством распознавания.
Более детальное описание температурного регулятора представлено в разделе
3.8 "Система управления температурой модуля M 355".
Алгоритм управления и структура регулятора
В цикле запланированного времени опроса управляемая переменная регулятора непрерывного
действия вычисляется в соответствии с сигналом рассогласования (сигналом ошибки) PID
алгоритма. Управление выполняется в отдельных параллельных структурах (рис. 3-13).
"Пропорциональный", "интегральный" и "дифференциальный" компоненты могут быть отключены
по отдельности. В случае "интегрального" и "дифференциального" компонентов это делается
установкой соответствующего параметра TI или TD в ноль.
Как работает модуль FM 355
Модуль автоматического регулирования FM 355
3-22
A5E00059344-02
Рис. 3-13 Алгоритм управления модуля FM 355 (параллельная структура)
Управление с прогнозированием параметров
Переменная помехи DISV может быть дополнительно наложена на выходной сигнал регулятора.
Активация и деактивация этого режима выполняется в окне “Error signal” ("Сигнал ошибки")
утилиты конфигурации с помощью переключателя
“Signal selection disturbance variable controller”
("Выбор сигнала помех и").
PD- компонент в цепи обратной связи
В параллельной структуре каждый компонент алгоритма управления получает сигнал ошибки
(рассогласования) в качестве входного сигнала. В этой структуре все изменения заданного
параметра (уставки) действуют непосредственно на управление. На управляющую переменную
влияют непосредственно через пропорциональный и дифференциальный компоненты с помощью
изменений значения уставки.
Тем не менее, структура управления, в которой пропорциональный и дифференциальный
компоненты включены в цепь обратной связи, гарантирует плавный характер изменения
управляющей переменной при ступенчатом изменении контрольной переменной (рис. 3-14). На
вход цепей с пропорциональным и дифференциальным компонентами подаются значения
переменной процесса только со знаком минус (для этого они перемножаются с параметром "-1").
Изменения в дифференциальном компоненте в цепи ОС выполняются в окне “Error signal”
("Сигнал ошибки") посредством переключателя “Differential input controller” ("Управление
дифференциальным входом") выбором отрицательного эффективного значения переменной
процесса в качестве входного сигнала. Входная переменная дифференциального компонента
также может быть выбрана с помощью параметра D_EL_SEL функционального блока PID_FM
(см. раздел 7.1).
Рис. 3-14 Алгоритм управления с пропорциональным и дифференциальным
компонентами в цепи обратной связи
Линейн ая
комбинация
Как работает модуль FM 355
Модуль автом атичес кого регулирования FM 355
A5E00059344-02
3-23
Реверсирование (обращение) работы регулятора
Реверсирование означает замену назначений для регулятора:
Назначение:
"Рост значения переменной процесса = Повышение значения управляющей переменной"
меняется на:
"Рост значения переменной процесса = Снижение значения управляющей переменной".
Реверсирование достигается установкой отрицательного значения линейного усиления параметру
GAIN. Знак этого параметра определяет "направление управления" регулятора.
Пропорциональное управление
При пропорциональном управлении интегральный и дифференциальный ком поненты
деактивированы. Это означает, что если сигнал ошибки ER = 0, то управляющая переменная
также равна нулю. Если рабочая точка не должна быть равна нулю, то есть, численное значение
для управляющей переменной должно быть задано при нулевом значении сигнала ошибки, то это
достигается установкой рабочей точки:
•
Automatically
(
Автоматический режим): Рабочая точка устанавливается регулятором в текущее
(для режима "ручной") значение управляющей переменной в процессе переключения режимов
"ручной" – "автомат".
•
Not automatically (Неавтоматический режим): Рабочая точка устанавливается п осредством
конфигурирования.
Пример: Рабочая точка OP = 5% означает, что значение управляющей переменной = 5%
при сигнале рассогласования ER = 0.
Рис. 3-15 Пропорциональное управление с установкой рабочей точки
с помощью интегрирования
GAIN
PSEL
LMN
Не автоматически
Автоматически
Рабочая точка
ER
Как работает модуль FM 355
Модуль автоматического регулирования FM 355
3-24
A5E00059344-02
Рис. 3-16 Переходная характеристика пропорционального управления
Пропорциональное плюс интегральное управление
В ПИ-регуляторе деактивируется дифференциальный компонент. ПИ-регулятор выдает выходную
переменную, обработав входной сигнал в интегральном компоненте системы, пока сигнал ошибки
не станет равным нулю. Однако, это справедливо только для случая, когда выходная переменная
не выходит за границы диапазона регулирования процесса. Если границы управляющей
переменной нарушены, интегральный компонент системы вернет выходной сигнал на границу
диапазона регулирования.
Рис. 3-17 Переходная характеристика ПИ-регулятора
Плавное переключение с ручного управления на автоматическое
Для плавного переключения с ручного управления на автоматическое ПИ/ПИД-регулятора
интегратор (интегральный компонент) должен быть переключен в ручной режим, так чтобы
управляющая переменная не имела скачка благодаря про порциональному и дифференциальному
компонентам во время переключения с ручного управления на автоматическое. Тогда
фактическая ошибка сигнала будет медленно компенсироваться с помощью интегратора. Если не
выбран режим плавного переключения с ручного управления на автоматическое, управляющая
переменная будет иметь скачок, который соответствует текущей ошибке сигнала в момент
переключения. Фактическая ошибка сигнала в данном случае компенсируется быстро.
ER
Управляющая
пе
р
еменная
ER
(
t
)
Управляющая
переменная (t)
t
ER
Управляющая
пе
р
еменная
GAIN * ER
0
GAIN * ER
0
GAIN * ER(t)
ER(t)
t
TI
Управляющая
переменная (t)
Как работает модуль FM 355
Модуль автом атичес кого регулирования FM 355
A5E00059344-02
3-25
Интегральное управление
Вы можете деактивировать пропорциональный компонент, для реализации в чистом виде
интегрального управления в системе. Это выпол няется с помощью параметра P_SEL
функционального блока PID_FM.
Пропорциональное плюс дифференциальное управление
В ПД-регуляторе деактивирован интегральный компонент системы управления. Это означает, что
если сигнал ошибки равен нулю, то выходной сигнал также равен нулю. Если рабочая точка не
должна быть равна нулю, то есть, численное значение для управляющей переменной должно быть
задано при нулевом значении сигнала ошибки, то это достигается установкой рабочей точки:
•
Automatically
(
Автоматический режим): Рабочая точка устанавливается регулятором в текущее
(для режима "ручной") значение управляющей переменной в процессе переключения режимов
"ручной" – "автомат".
•
Not automatically (Неавтоматический режим): Рабочая точка устанавливается п осредством
конфигурирования.
ПД-регулятор представляет входную переменную ER(t) пропорционально выходному сигналу
и добавляет дифференциальную компоненту после дифференцирования ER(t), которая
рассчитывается с двойной точностью по правилу трапеций (аппроксимация Паде). Временная
характеристика определяется посто янной времени ди фференцирования TD.
Чтобы сгладить сигнал и подавить помехи в алгоритм для формирования сигнала
дифференциального управления должна быть интегрирована задержка первого порядка
(настраиваемая постоянная времени
TM_LAG). Обычно малого значения TM_LAG уже достаточно
для достижения требуемого эффекта.
Рис. 3-18 Переходная характеристика ПД-регулятора
ER
Управляющая
переменная
Управляющая
переменная (t)
ER (t)
t
TD
GAIN * ER
0
TM LAG
GAIN * ER
0
TM_LAG
Как работает модуль FM 355
Модуль автоматического регулирования FM 355
3-26
A5E00059344-02
ПИД-регулятор
В ПИД-регуляторе задействованы все три компонента: интегральный, дифференциальный и
пропорциональный. ПИД-регулятор формирует выходную переменную с помощью интегратора до
тех пор, пока сигнал ошибки не станет равным нулю ER = 0. Однако, это справедливо только для
случая, ког да выходная переменная не выходит за границы диапазона регулирования процесса.
Если границы управляющей переменной нарушены, интегральный компонент системы вернет
выходной сигнал на границу диапазона регулирования.
ПИД-регулятор представляет входную переменную ER(t) пропорционально выходному сигналу и
добавляет интегральную и дифференциальную составляющие после обработки сигнала ER(t),
которые рассчитываются с двойной точностью по правилу трапеций (аппроксимация Паде).
Временная характеристика определяется постоянными времени для дифференцирования TD и
для интегрирования TI.
Чтобы сгладить сигнал и подавить помехи в алгоритм для формирования сигнала
дифференциального управления должна быть интегрирована задержка первого порядка
(настраиваемая постоянная времени
TM_LAG). Обычно малого значения TM_LAG уже достаточно
для достижения требуемого эффекта.
Рис. 3-19 Переходная характеристика ПИД-регулятора
Использование и конфигурация ПИД-регулятора
Конфигурирование ПИ- и ПИД-регулятора, т.е., нахождение "правильных" установок для
параметров регуляторов – это большая практическая задача. Качество такой конфигурации имеет
решающее значение для того, чтобы система управления процессом во всем отвечала бы
поставленной задаче, и требует или большого практического опыта и специальных знаний или
очень больших затрат времени.
Функция "Optimize PID controller" ("Оптимизация ПИД-регулятора") из набора средств для
конфигурирования ("configuration tool") допускает начальные установки параметров регулятора
посредством а даптивного запуска. В этом случае мод ель процесса определяется после
идентификации процесса и затем, исходя из результатов идентификации, вычисляются наиболее
благоприятные (оптимальные) величины уставки для параметра регулятора. Эта процедура
автоматизирована в значительной степени, что делает ненужной утомительную процедуру
интерактивного подбора параметров установленного ПИД-регулятора вручную.
ER
Управляющая
переменная
TD
GAIN * ER
0
TM LAG
GAIN * ER
0
GAIN * ER
0
TM_LAG
TI
Управляющая
переменная (t)
ER (t)
t